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Bioengineering

अल्ट्राफास्ट डॉप्लर के साथ ब्लड फ्लो इमेजिंग

Published: October 14, 2020 doi: 10.3791/61838
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2,3
1Translational Medicine Department, The Hospital for Sick Children, PGCRL Research Institute, 2The Labatt Family Heart Centre, Department of Pediatric, The Hospital for Sick Children, University of Toronto, 3Medical Biophysics Department, University of Toronto

Summary

इस प्रोटोकॉल से पता चलता है कि रक्त प्रवाह की मात्रा निर्धारित करने के लिए अल्ट्राफास्ट अल्ट्रासाउंड डॉप्लर इमेजिंग कैसे लागू करें। 1 एस लंबे अधिग्रहण के बाद, प्रयोगकर्ता के पास प्रत्येक पिक्सेल के लिए अक्षीय वेग मूल्यों के साथ दृश्य के पूर्ण क्षेत्र की एक फिल्म तक पहुंच है ≈0.3 एमएस (उड़ान के अल्ट्रासाउंड समय के आधार पर)।

Abstract

स्पंदित-डॉप्लर प्रभाव रक्त प्रवाह का आकलन करने के लिए नैदानिक echography में उपयोग की जाने वाली मुख्य तकनीक है। पारंपरिक केंद्रित अल्ट्रासाउंड डॉप्लर मोड के साथ लागू, इसकी कई सीमाएं हैं। सबसे पहले, आसपास के ऊतकों से रक्त प्रवाह को अलग करने के लिए एक पतले देखते संकेत फ़िल्टरिंग ऑपरेशन की आवश्यकता होती है। दूसरे, ऑपरेटर को रक्त प्रवाह को स्थानीय बनाने या उन्हें मात्रा देने के बीच चुनना होगा। पिछले दो दशकों में, अल्ट्रासाउंड इमेजिंग अनफोकस्ड तरंगों का उपयोग कर अल्ट्राफास्ट अल्ट्रासाउंड के उद्भव के साथ एक प्रतिमान बदलाव आया है। फ्रेमरेट (10000 हर्ट्ज तक) में सौ गुना वृद्धि के अलावा, यह नई तकनीक पारंपरिक मात्राकरण/स्थानीयकरण व्यापार-बंद को भी तोड़ती है, जो दृश्य के क्षेत्र की पूर्ण रक्त प्रवाह मानचित्रण और एकल-पिक्सेल स्तर (नीचे 50 माइक्रोन तक) पर ठीक वेग माप के लिए एक साथ पहुंच की पेशकश करती है। स्थानिक और लौकिक दोनों आयामों में यह डेटा निरंतरता ऊतक/रक्त छानने की प्रक्रिया में दृढ़ता से सुधार करती है, जिसके परिणामस्वरूप छोटे रक्त प्रवाह वेलोग (1 मिमी/s तक) के प्रति संवेदनशीलता में वृद्धि होती है । इस विधि पत्र में, हमारा उद्देश्य अल्ट्राफास्ट डॉप्लर की अवधारणा के साथ-साथ इसके मुख्य मापदंडों को पेश करना है। सबसे पहले, हम अनफोकस्ड वेव इमेजिंग के भौतिक सिद्धांतों को संक्षेप में प्रस्तुत करते हैं। फिर, हम डॉप्लर सिग्नल प्रोसेसिंग मुख्य चरण प्रस्तुत करते हैं। विशेष रूप से, हम महत्वपूर्ण ऊतक/रक्त प्रवाह पृथक्करण एल्गोरिदम के व्यावहारिक कार्यान्वयन और इन फ़िल्टर किए गए आंकड़ों से वेग के निष्कर्षण पर व्याख्या करते हैं । यह सैद्धांतिक विवरण इन विट्रो अनुभवों द्वारा पूरक है। बहते रक्त-नकल करने वाले तरल पदार्थ के साथ एक नहर एम्बेड करने वाला ऊतक प्रेत एक शोध प्रोग्रामेबल अल्ट्रासाउंड प्रणाली के साथ चित्रित किया जाता है। एक रक्त प्रवाह छवि प्राप्त की जाती है और नहर में कई पिक्सेल के लिए प्रवाह विशेषताओं को प्रदर्शित किया जाता है। अंत में, वीवो अनुप्रयोगों में समीक्षा प्रस्तावित है, जिसमें कैरोटिड्स, किडनी, थायराइड, मस्तिष्क और दिल जैसे कई अंगों में उदाहरण दिखाए गए हैं।

Introduction

अल्ट्रासाउंड इमेजिंग नैदानिक अभ्यास और अनुसंधान गतिविधियों में सबसे अधिक इस्तेमाल किया इमेजिंग तकनीकों में से एक है। जैविक ऊतकों में अल्ट्रासाउंड तरंग उत्सर्जन का संयोजन बैकस्कैटर इको की रिकॉर्डिंग के बाद शारीरिक छवियों के पुनर्निर्माण की अनुमति देता है, तथाकथित "बी-मोड"। इस विधि को पूरी तरह से नरम ऊतक इमेजिंग के लिए अनुकूलित किया जाता है, जैसे जैविक ऊतक, जो आम तौर पर कई सेंटीमीटर से अधिक अल्ट्रासाउंड के प्रवेश की अनुमति देते हैं, ≈1540 मीटर/s की प्रचार गति के साथ। अल्ट्रासाउंड जांच के केंद्र आवृत्ति के आधार पर, 30 माइक्रोन से 1 मिमी तक के संकल्प वाली छवियां प्राप्त की जाती हैं। इसके अलावा, यह सर्वविदित है कि ध्वनिक स्रोत की गति, संबंधित तरंगों की भौतिक विशेषताओं को प्रभावित करती है। विशेष रूप से, इसके स्रोत की गति के सापेक्ष एक लहर की आवृत्ति बदलावों के बीच की कड़ी को डॉप्लर प्रभाव1के रूप में वर्णित किया गया है, जिसकी सबसे सरल अभिव्यक्ति चलती एम्बुलेंस की बदलती मोहिनी की पिच है। अल्ट्रासाउंड इमेजिंग ने लंबे समय से चलती लाल रक्त कोशिकाओं का निरीक्षण करने के लिए इस शारीरिक प्रभाव का उपयोग कियाहै,और यह आमतौर पर "डॉप्लर इमेजिंग" लेबल वाले विभिन्न इमेजिंग मोड का प्रस्ताव करता है। ये मोड मस्तिष्क, हृदय, गुर्दे या परिधीय धमनियों जैसे बहुत अलग अनुप्रयोगों और अंगों में रक्त प्रवाह का आकलन करने में सक्षम होते हैं।

उल्लेखनीय है, वर्तमान में उपलब्ध अल्ट्रासाउंड प्रणालियों में से अधिकांश एक ही तकनीक पर भरोसा करते हैं, जिसे पारंपरिक अल्ट्रासाउंड के रूप में जाना जाता है। अंतर्निहित सिद्धांत निम्नलिखित हैं: एक ध्वनिक बीम देखने के क्षेत्र को इंगित करता है और अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर एपर्चर के साथ बह जाता है। बीम की प्रत्येक स्थिति के लिए, गूंज दर्ज की जाती है और अंतिम छवि की एक पंक्ति में परिवर्तित हो जाती है। ट्रांसड्यूसर के साथ बीम को उत्तरोत्तर ले जाकर, देखने के पूरे क्षेत्र को लाइन-प्रति-लाइन(चित्रा 1, बाएंपैनल) इमेज डे किया जा सकता है। यह रणनीति 21 वीं शताब्दी की शुरुआत तक प्रचलित विद्युत बाधाओं और कंप्यूटिंग शक्ति के अनुकूल थी। बहरहाल, यह कई कमियां हैं । इनमें से, अंतिम फ्रेमरेट बीम स्कैनिंग प्रक्रिया द्वारा प्रति सेकंड कुछ सौ छवियों तक सीमित है। रक्त प्रवाह के संदर्भ में, यह अपेक्षाकृत कम फ्रेमरेट अधिकतम प्रवाह वेग को प्रभावित करता है जिसका पता लगाया जा सकता है, जो शैनन-Nyquist3के नमूना मानदंडों से तय होता है। इसके अलावा, पारंपरिक डॉप्लर को एक जटिल ट्रेडऑफ से निपटना होगा। ब्याज के एक विशेष क्षेत्र (आरओआई) में रक्त प्रवाह वेग का आकलन करने के लिए, उस आरओआई से आने वाली कई गूंजों को क्रमिक रूप से दर्ज करना होगा । इसका मतलब यह है कि अल्ट्रासाउंड बीम अस्थायी रूप से एक निश्चित स्थिति में बनाए रखा जाता है। अब गूंज पहनावा, बेहतर वेग अनुमान है कि रॉय के लिए किया जाएगा । हालांकि, देखने के क्षेत्र की एक पूरी छवि का उत्पादन करने के लिए, बीम माध्यम स्कैन करना होगा । इसलिए, कोई भी इन दो बाधाओं के बीच संघर्ष को समझ सकता है: बीम को एक पंक्ति के साथ वेग का ठीक से आकलन करने के लिए पकड़ना, या एक छवि का उत्पादन करने के लिए बीम को आगे बढ़ाना। विभिन्न पारंपरिक डॉप्लर मोड (यानी, कलर डॉप्लर या पल्स वेव डॉप्लर) सीधे इस ट्रेडऑफ को दर्शाते हैं। आमतौर पर, रंग डॉप्लर 4 जहाजों को स्थानीय बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले कम निष्ठा प्रवाह मानचित्र का उत्पादन करता है, औरपल्सवेव डॉप्लर का उपयोग पहले से पहचाने गए पोत 5 में प्रवाह को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए कियाजाताहै।

ये दो सीमाएं (कम फ्रेमरेट और लोकलाइजेशन/क्वांटिफिकेशन ट्रेडऑफ) बहुत ऊंची-फ्रेमरेट उभरती तकनीकों से दूर होती हैं । इनमें से सिंथेटिक अपर्चर अप्रोच6 या मल्टीलाइन ट्रांसमिट तकनीक को7उद्धृत किया जा सकता है। इस अध्ययन में, हम तथाकथित अल्ट्राफास्ट अल्ट्रासाउंड विधि पर ध्यान केंद्रित करते हैं। दो दशक पहले शुरू की गई8,9,10,यह विधि अल्ट्रासाउंड के उत्सर्जन/स्वागत पर भी निर्भर करती है, लेकिन बिल्कुल अलग पैटर्न के साथ । दरअसल, स्कैनिंग केंद्रित बीम का उपयोग करने के बजाय, अल्ट्राफास्ट इमेजिंग विमान तरंग या हट तरंगों का उपयोग करता है, जो एक ही उत्सर्जन के साथ देखने के क्षेत्र को मजबूत करने में सक्षम हैं। उस एकल उत्सर्जन के बाद, संबद्ध इलेक्ट्रॉनिक्स भी देखने के पूरे क्षेत्र से निकलने वाली गूंज की भारी संख्या को प्राप्त करने और संसाधित करने में सक्षम है। अंत में, एक छवि को एकल उत्सर्जन/रिसेप्शन पैटर्न11 (चित्रा 1,सही पैनल) से खंगाला जा सकता है । ध्वनिक ऊर्जा के प्रसार के कारण इन अनफोकस्ड उत्सर्जनों में शोर अनुपात (एसएनआर) के लिए कम संकेत हो सकते हैं। यह कई शीर्षक विमान तरंगों (या विभिन्न स्रोतों के साथ लहरों हट) उत्सर्जित करके और परिणामस्वरूप छवियों को जोड़कर निपटा जा सकता है । इस विधि को "सुसंगत कंपाउंडिंग"12नाम दिया गया है। इसके दो बड़े परिणाम सामने आते हैं। सबसे पहले, फ्रेमरेट केवल उड़ान के अल्ट्रासाउंड समय पर निर्भर करता है और 1 से 10 किलोहर्ट्ज तक विशिष्ट मूल्यों तक पहुंच सकता है। दूसरे, यह स्थानिक और लौकिक दोनों आयामों में डेटा निरंतरता सुनिश्चित करता है, जिसे स्थानिक रूप से भी कहा जाता है। इस प्रकार पारंपरिक स्थानीयकरण/मात्राकरण ट्रेडऑफ टूट गया है । एक उच्च फ्रेमरेट और स्पेटियोटेम्परल जुटना के इस संयोजन का अल्ट्रासाउंड के साथ रक्त प्रवाह का पता लगाने की क्षमता पर जबरदस्त प्रभाव पड़ता है। पारंपरिक अल्ट्रासाउंड की तुलना में, अल्ट्राफास्ट अल्ट्रासाउंड रक्त प्रवाह3का पूर्ण लक्षण वर्णन प्रदान करता है। व्यावहारिक रूप से, उपयोगकर्ता के पास अधिग्रहण की पूरी अवधि (आमतौर पर ≈1 एस) के लिए छवि के हर पिक्सेल में वेग टाइम कोर्स तक पहुंच है, जिसमें फ्रेमरेट द्वारा दिए गए टाइमस्केल (आमतौर पर, 200 μs के अस्थायी समाधान के लिए 5 kHz का एक फ्रेमरेट)। यह उच्च फ्रेमरेट आवेदन की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए उपयुक्त बनाता है जैसे हृदयकक्षों 13 या कोरोनरी माइक्रो-परफ्यूजन14के साथ मायोकार्डियम जैसे चलती अंगों में तेजी से प्रवाह। इसके अलावा, यह दिखाया गया है कि इसकी स्थानिक सामंजस्य पृष्ठभूमि चलती ऊतकों से धीमी गति से रक्त प्रवाह को अलग करने की क्षमता में दृढ़ता से सुधार करता है, इसलिए सूक्ष्म संवहनी प्रवाह15के प्रति संवेदनशीलता में वृद्धि करता है। यह क्षमता16 औरमनुष्योंदोनों में मस्तिष्क के सूक्ष्म संवधकों तक पहुंच प्रदान करता है ।

इसलिए, अल्ट्राफास्ट अल्ट्रासाउंड विभिन्न स्थितियों में रक्त प्रवाह की छवि के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है। यह नरम जैविक ऊतकों तक सीमित है और हड्डियों, या फेफड़ों जैसे गैस गुहा जैसे हार्ड इंटरफेस की उपस्थिति से दृढ़ता से प्रभावित होगा। अल्ट्रासाउंड अनुक्रम के भौतिक मापदंडों की ट्यूनिंग धीमी गति से (1 मिमी/एस 11,16)और तेज प्रवाह (कई मेसर्स तक) दोनों के अध्ययन की अनुमति देती है। स्थानिक संकल्प और प्रवेश की गहराई के बीच एक ट्रेडऑफ मौजूद है। आमतौर पर, 50 माइक्रोन का एक संकल्प 5 मिमी के आसपास प्रवेश की कीमत पर प्राप्त किया जा सकता है। इसके विपरीत, प्रवेश को 1 मिमी के संकल्प की कीमत पर 15-20 सेमी तक बढ़ाया जा सकता है। यह देखने लायक है कि इस लेख में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश अल्ट्राफास्ट स्कैनर केवल 2D छवियां प्रदान करते हैं।

यहां, हम एक प्रोग्रामेबल शोध अल्ट्रासाउंड स्कैनर और डॉप्लर प्रेत का उपयोग करके जैविक ऊतक में एम्बेडेड पोत (धमनी या नस) की नकल करते हुए अल्ट्राफास्ट डॉप्लर इमेजिंग की अवधारणा को पेश करने के लिए एक सरल प्रोटोकॉल का प्रस्ताव करते हैं।

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Protocol

1. डॉप्लर प्रेत तैयारी सेटअप(चित्रा 2A)

  1. पेरिस्टाल्टिक पंप, रक्त नकल उतार तरल जलाशय, नाड़ी डैम्पर और डॉप्लर प्रवाह प्रेत को प्लास्टिक ट्यूबों से जोड़ें।
  2. 4 मिमी व्यास के साथ नहर चुनें।
  3. कार्यक्रम पंप 0.3 एस के लिए 720 एमएल/मिनट तरल पदार्थ को बाहर निकालने के लिए और फिर 0.7 एस के लिए 50 एमएल/
  4. पंप चलाएं और संभावित हवा के बुलबुले को निष्कासित करने के लिए पाइप को धीरे से हिलाएं।
    नोट: ऑपरेटर एक अलग नहर व्यास और विभिन्न पंप दर चुन सकते हैं, लेकिन यह सुनिश्चित करना होगा कि अल्ट्रासाउंड अनुक्रम सबसे तेज प्रवाह वेग प्राप्त करने के लिए पर्याप्त तेज है। Eq. 3 बाद में प्रस्तुत अनुक्रम डिजाइन करने में मदद कर सकते हैं।

2. अल्ट्राफास्ट अल्ट्रासाउंड स्कैनर सेटअप(चित्रा 2A)

  1. अल्ट्राफास्ट-सक्षम अनुसंधान स्कैनर को पीसीआई एक्सप्रेस लिंक के साथ होस्ट कंप्यूटर से कनेक्ट करें।
  2. जांच कनेक्टर से मेल खाने के लिए अल्ट्रासाउंड स्कैनर पर ट्रांसड्यूसर एडाप्टर बदलें, फिर जांच को कनेक्ट करें।
  3. मतलैब चलाएं और अल्ट्रासाउंड स्कैनर लाइसेंस को सक्रिय करें।
    नोट: यह अनुभाग और निम्नलिखित स्पष्टतः वेरासोनिक्स सुविधाजनक प्रणाली का उपयोग मानते हैं।

3. अल्ट्रासाउंड अनुक्रम प्रोग्रामिंग

  1. उदाहरणों की लिपियों का उपयोग करके, एक पारंपरिक केंद्रित "बी-मोड" (यानी, echography) अनुक्रम डिजाइन करें जिसका उपयोग जांच स्थिति के लिए किया जाएगा।
    1. इमेजिंग गहराई को 50 मिमी तक सेट करें।
    2. फोकल गहराई को 35 मिमी तक सेट करें।
  2. उदाहरणों की स्क्रिप्ट का उपयोग करके, एक अल्ट्राफास्ट अल्ट्रासाउंड अनुक्रम डिजाइन करें।
    1. इमेजिंग गहराई को 50 मिमी तक सेट करें।
    2. कार्यक्रम 3 झुके हुए विमान-तरंगें [-3,0,3] डिग्री पर।
    3. पल्स रिपीटेशन फ्रीक्वेंसी (पीआरएफ) को 12 किलोहर्ट्ज पर सेट करें।
    4. अल्ट्रासाउंड तरंग के लिए 4 आधे चक्र का उपयोग करें, जांच के आधार पर एक केंद्र आवृत्ति के साथ। यहां 5.2 मेगाहर्ट्ज की केंद्र आवृत्ति ग्रहण की जाती है।
    5. कुल अवधि 1 एस निर्धारित करें।

4. जांच स्थिति और डेटा अधिग्रहण

  1. जांच के लेंस पर अल्ट्रासाउंड जेल लगाएं।
  2. फैंटम पर जांच रखें और बी-मोड अल्ट्रासाउंड अनुक्रम लॉन्च करें।
  3. रुचि की नहर का पता लगाएं। तरल पदार्थ आसपास के ऊतकों की तुलना में गहरा दिखाई देता है। जांच को देशांतर दृश्य में रखें।
  4. मैन्युअल रूप से ब्याज की स्थिति में जांच बनाए रखें।
  5. बी-मोड सीक्वेंस को एंड करें और अल्ट्राफास्ट सीक्वेंस एक्विजिशन स्क्रिप्ट लॉन्च करें।

5. छवि पुनर्निर्माण(चित्रा 2B)

  1. एक बार अनुक्रम खत्म हो जाने के बाद, कच्चे डेटा (जिसे रेडियो-फ्रीक्वेंसी डेटा भी कहा जाता है, "आरएफ" सहेजें)।
  2. अल्ट्रासाउंड सिस्टम डिफ़ॉल्ट सॉफ्टवेयर का उपयोग कर छवि पुनर्निर्माण स्क्रिप्ट लॉन्च करें। प्रक्रिया के अंत में, बुद्धि डेटा मैट्रिक्स बनाया जाना चाहिए।
    नोट: अल्ट्रासाउंड गूँज जांच के प्रत्येक तत्व पर दर्ज कर रहे है और प्रत्येक उत्सर्जन के लिए/ छवि पुनर्निर्माण प्रत्येक चैनल के लिए उचित देरी कानून लागू किया और तथाकथित "बुद्धि" (में चरण/Quadrature) मैट्रिक्स में परिणाम । जटिल बुद्धि मैट्रिक्स के तीन आयाम हैं: अंतरिक्ष के लिए दो (छवि गहराई और चौड़ाई) और एक समय के लिए

6. अव्यवस्था फ़िल्टरिंग(चित्रा 2C)

नोट: चरण 6-7 के लिए, अनुपूरक सामग्रीमें प्रदान की गई मतलैब स्क्रिप्ट देखें ।

  1. 3डी (स्पेस एक्स स्पेस एक्स टाइम) आईक्यू मैट्रिक्स को 2D (स्पेस एक्स टाइम) कैसोरेटी मैट्रिक्स में फिर से आकार दें, जिसका नाम आईक्यूआर है ।
  2. IQr (Eq.1) के विलक्षण मूल्य अपघटन 15 की गणना करें।
    Equation 1 Eq. 1
  3. स्थानिक समानता मैट्रिक्स सी स्थानिक विलक्षण वैक्टर यू का उपयोग कर के रूप में Baranger एट अल18 (द्वितीय, डी) द्वारा वर्णित है, और रक्त उपस्थान सीमाओं एन की पहचान करें ।
  4. इस कटऑफ एन का उपयोग आईक्यू डेटा को फ़िल्टर करने के लिए करें जैसा कि डेमीन एट अल में वर्णितहै।

7. फ्लो विज़ुअलाइज़ेशन और वेग माप(चित्रा 2 सी)

  1. अस्थायी आयाम (Eq. 2) के साथ फ़िल्टर किए गए डेटा आईक्यूटी के लिफाफे को एकीकृत करके पावर डॉप्लर मानचित्र पीडी की गणना करें। 3 डी निर्देशांक जेड, एक्स और टी क्रमशः गहराई, चौड़ाई और लौकिक आयाम, एनटी हैं और अधिग्रहीत फ्रेम की संख्या है।
    Equation 2 Eq. 2
  2. लॉगरिथम स्केल में पीडी मैप प्रदर्शित करें। गतिशील रेंज निर्धारित करने के लिए, नहर के बाहर एक क्षेत्र में मतलब पीडी की गणना करें और गतिशील सीमा के निचले बाउंड के रूप में डीबी में इस मूल्य का उपयोग करें। एक विशिष्ट गतिशील रेंज [-30, 0] डीबी है।
  3. छवि पर ब्याज (आरओआई) के एक परिपत्र क्षेत्र को परिभाषित करें, जिसमें 1 से 30 पिक्सल शामिल हैं।
  4. औसत है कि आरओआई के पिक्सलपर बुद्धिएफ संकेत, Equation 3 एनटी समय अंक के एक वेक्टर प्राप्त करने के लिए ।
  5. Equation 4शॉर्ट-टाइम फोरियर ट्रांसफॉर्म (एसटीएफटी) के वर्ग परिमाण का उपयोग करके डॉप्लर स्पेक्ट्रोग्राम की गणना करें और प्रदर्शित करें।
    1. एक ६०-नमूने Hann खिड़की के लिए एसटीएफटी खिड़की सेट करें ।
    2. विंडो की लंबाई के 90% तक एसटीएफटी ओवरलैप सेट करें।
  6. स्पेक्ट्रोग्राम के प्रत्येक समय बिंदु पर केंद्र आवृत्ति को ओवरले करें।
  7. डॉप्लर फॉर्मूला (ईक्यू 3) का उपयोग करके आवृत्ति एफ मानों को रक्त अक्षीय वेग वीजेड में परिवर्तित करें। c0 मध्यम में ध्वनि की गति है और एफTW संचारित अल्ट्रासाउंड तरंग (यहां 5.2 मेगाहर्ट्ज) की केंद्र आवृत्ति है।
    Equation 5 Eq. 3

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Representative Results

अधिग्रहण की गुणवत्ता और प्रसंस्करण के बाद सबसे पहले दृश्य निरीक्षण द्वारा मूल्यांकन किया जाता है। नहर का आकार पावर डॉप्लर छवि में स्पष्ट रूप से दिखाई देना चाहिए, और ऊतक क्षेत्र अंधेरा दिखाई देना चाहिए। यदि पावर डॉप्लर सिग्नल नहर तक सीमित नहीं है, तो इसका मतलब यह हो सकता है कि या तो अव्यवस्था फिल्टर कदम गलत हो गया (एसवीडी सीमा बहुत कम है), या जांच ने अधिग्रहण के दौरान एक मजबूत आंदोलन का अनुभव किया।

विजुअल इंस्पेक्शन के बाद नहर के अंदर स्पेक्ट्रोग्राम का अध्ययन करने से प्रयोग की सफलता या असफलता के बारे में अच्छी जानकारी मिल सकती है। स्पेक्ट्रोग्राम एक तरफा होना चाहिए (शून्य से ऊपर या नीचे के सभी मूल्य)। यदि स्पेक्ट्रोग्राम दो तरफा है, तो उपनाम मौजूद है। उस स्थिति में या तो फ्लो बहुत तेज होता है, या फिर पीआरएफ बहुत कम होता है।

यदि इन गुणवत्ता मानदंडों को पूरा कर रहे हैं, रक्त वेग छवि में किसी भी आरओआई से निकाला जासकता है (चित्रा 2C)। आरओआई के आकार को ट्यूनिंग करने से संकेतों के कम या ज्यादा औसत की अनुमति होती है। इसके बाद किसी दिए गए आरओआई के वेग टाइम कोर्स का उपयोग कई विश्लेषणों के लिए किया जा सकता है जैसे प्रतिरोधकता अनुक्रमित19, दीवार कतरनी तनाव अनुमान20,प्रतिक्रियाशील अतिश्यता मात्रा14 और बहुत अधिक21,22।

चित्रा 3ए-डी वीवो अनुप्रयोगों में विभिन्न के लिए इस प्रोटोकॉल के पक्षांतरण से पता चलता है। विशेष रूप से, नवजात मस्तिष्क अधिग्रहण(चित्रा 3 बी)छोटे कॉर्टिकल वेणुकार और धमनियों से प्रमुख पेरिकलोसल धमनी तक बहुत अलग प्रवाह विशेषताओं वाले जहाजों को प्रदर्शित करता है। चित्रा 3 डी मायोकार्डियम जैसे दृढ़ता से चलती अंग में रक्त प्रवाह संकेत निकालने के लिए अल्ट्राफास्ट डॉप्लर की क्षमता दिखाता है।

Figure 1
चित्रा 1: पारंपरिक और अल्ट्राफास्ट अल्ट्रासाउंड इमेजिंग। किंवदंती: (बाएं) केंद्रित उत्सर्जन के साथ पारंपरिक इमेजिंग । (दाएं) विमान तरंग उत्सर्जन के साथ अल्ट्राफास्ट इमेजिंग। (विल्लेमेन एट अल22से अनुकूलित)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: अल्ट्राफास्ट डॉप्लर प्रोटोकॉल वर्कफ्लो। (A)अल्ट्राफास्ट इनेबल्ड स्कैनर और डॉप्लर फ्लो फैंटम सहित प्रायोगिक सेटअप । प्रेत पर धराशायी आयत अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर के पदचिह्न को इंगित करता है। (ख)ऑटोमेटेड डेटा एक्विजिशन चेन और पोस्ट-प्रोसेसिंग एक साधारण यूजर बटन-प्रेस से शुरू होती है । (ग)(शीर्ष) रक्त प्रवाह संकेत का निष्कर्षण और ऊतक पृष्ठभूमि शोर ("अव्यवस्था फिल्टर") का दमन और देखने के क्षेत्र के किसी भी आरओआई में रक्त स्पेक्ट्रोग्राम का प्रदर्शन । (नीचे) स्पेक्ट्रोग्राम अलग-अलग समय बिंदुओं पर आरओआई में रक्त वेग वितरण दिखा। आरओआई में मतलब वेग धराशायी हरे रंग में पता लगाया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: पावर डॉप्लर छवियां। कई अंगों पर अल्ट्राफास्ट डॉप्लर अधिग्रहण। (A)वयस्क प्रत्यारोपित गुर्दा,(ख)मानव नवजात मस्तिष्क का Sagittal दृश्य,(C)वयस्क थायराइड,(घ)खुली छाती सूअर प्रयोगों में इंट्राम्यूरल कोरोनरी वैक्यूल्चर,(ई)कैरोटिड धमनी के 3 डी दिशात्मक शक्ति डॉप्लर और एक स्वस्थ स्वयंसेवक की जुगलबंदी नस (नीला = उतरते बह, लाल = आरोही बह) । विभिन्न आरओआई के लिए कई स्पेक्ट्रोग्राम निकाले जाते हैं। (ए-सी को बारंगर एट अल से अनुकूलित किया जाता है।18, डी को मार्स्का एट अल से अनुकूलित किया जाता है।14, ई को प्रोवोस्ट एट अल23से अनुकूलित किया जाता है)। प्रत्येक अधिग्रहण के लिए, केंद्र आवृत्ति, कोणों की संख्या, पीआरएफ और अधिकतम गहराई स्थिति के अनुसार देखते थे । पैनल ए, बी और सी के लिए डायनेमिक रेंज क्रमशः -27, -35 और -30 डीबी हैं। यह पैनल डी और ई के लिए प्रदान नहीं किया गया था कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

इस प्रोटोकॉल के मुख्य फ्रेम के आसपास कई भिन्नताएं संभव हैं।

हार्डवेयर चिंताएं
यदि उपयोगकर्ता अपने कस्टम होस्ट कंप्यूटर की आपूर्ति करता है, तो मदरबोर्ड और कंप्यूटर के मामले में एक उपलब्ध पीसीआई एक्सप्रेस स्लॉट होना चाहिए। सीपीयू के पास सभी उपकरणों को संभालने के लिए पर्याप्त पीसीई लेन भी होनी चाहिए।

जांच चयन
अल्ट्रासाउंड जांच (ट्रांसड्यूसर भी नाम) को आवश्यक स्थानिक संकल्प और देखने के क्षेत्र की ज्यामिति के अनुसार चुना जाता है। जांच की केंद्र आवृत्ति जितनी अधिक होगी, स्थानिक संकल्प उतना ही बेहतर होगा लेकिन इमेजिंग गहराई उतनी ही कम होगी। रैखिक, घुमावदार या चरणबद्ध-सरणी जांच क्रमशः आयताकार, परिपत्र क्षेत्र और फ्लैट-शीर्ष क्षेत्र के आकार को देखने का क्षेत्र प्रदान करती है।

कोण निर्भरता
अल्ट्राफास्ट डॉप्लर रक्त प्रवाह कोण के लिए निर्भरता के बारे में पारंपरिक डॉप्लर के रूप में एक ही बाधा साझा करता है। दरअसल, अंतर्निहित डॉप्लर प्रभाव केवल अक्षीय दिशा में आंदोलन का पता लगाने की अनुमति देता है, जिसका अर्थ जांच सतह की ओर है, या जांच से दूर है। इसलिए, केवल रक्त स्कैटर वेग वैक्टर के अक्षीय घटकों को वास्तव में मापा जाता है। सही वेग को मैन्युअल रूप से ऊर्ध्वाधर धुरी के साथ रक्त प्रवाह के स्थानीय कोण को दर्शाते हुए बरामद किया जा सकता है, लेकिन इस कोण का हमेशा सही मूल्यांकन नहीं किया जा सकता है। एक चरम मामले में जहां प्रवाह ऊर्ध्वाधर गहराई धुरी के लिए पूरी तरह से ऑर्थोगोनल है, डॉप्लर प्रभाव का उपयोग रक्त वेग को मज़बूती से मापने के लिए नहीं किया जा सकता है। अधिक उन्नत तकनीकें कई अक्षों पर वेग वैक्टर के कई अनुमानों को माप सकती हैं और अंततः सही वेग वेक्टर का पुनर्निर्माण कर सकती हैं। इन कोणों स्वतंत्र दृष्टिकोणों को वेक्टर फ्लो इमेजिंग 8 ,9,10,24के रूप में जानाजाताहै ।

अलियासिंग
इस पांडुलिपि में वर्णित प्रोटोकॉल की कई सीमाएं हैं। सबसे पहले, शांनोन-Nyquist नमूना प्रमेय बताता है कि नमूना संकेत में अधिकतम औसत दर्जे का आवृत्ति फ्रेमरेट के आधे से अधिक नहीं हो सकता है । 3 एंगल और 12 किलोहर्ट्ज का पीआरएफ के साथ इसका फ्रेमरेट 4 किलोहर्ट्ज है। नतीजतन, हम Eq. 3 से प्राप्त कर सकते हैं कि अधिकतम पता लगाने योग्य अक्षीय वेग 30 सेमी/s है । प्रेत में नहर के कोण को ध्यान में रखते हुए, यह फ्रेमरेट 96 सेमी तक वेलोस के साथ प्रवाह का पता लगाने की अनुमति देता है। इस सीमा के ऊपर वेग डॉप्लर स्पेक्ट्रोग्राम में उपनाम दिखाई देगा। प्रस्तुत सेटअप के लिए, शिखर वेग ९५ सेमी और 8 सेमी के बीच थे ।

अव्यवस्था फिल्टर अनुकूलन
रक्त प्रवाह दृश्य दृढ़ता से धीरे-धीरे चलती ऊतक पृष्ठभूमि से रक्त संकेतों को अलग करने की क्षमता पर निर्भर करता है। श्वसन या सोनोग्राफर की हाथ की गति के आधार पर, ऊतक धीमी गति से रक्त प्रवाह के समान गति के साथ स्थानांतरित कर सकते हैं। इसलिए, तथाकथित "अव्यवस्था फिल्टर" चरण ऊतक संकेतों को रद्द करने के लिए करना है । धीमी गति से रक्त प्रवाह का पता लगाने की क्षमता केवल इस अव्यवस्था फिल्टर चरण की दक्षता पर निर्भर करता है। यह दिखाया गया है कि अल्ट्राफास्ट अल्ट्रासाउंड के स्पेटिओटेम्परल जुटना का लाभ उठाने से इन फिल्टरों का परिणाम दृढ़ता से बढ़ जाता है। डेमीन एट अल द्वारा वर्णित विलक्षण मूल्य अपघटन फ़िल्टर15 का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। उस विधि का अनुकूलन18 या उससे अधिक जटिल एल्गोरिदम जैसे उच्च-क्रम एसवीडी25,प्रमुख घटक खोज26,स्वतंत्र घटक विश्लेषण27 या अन्य निम्न रैंक अपघटन28 फ़िल्टर किए गए डेटा की गुणवत्ता में सुधार कर सकते हैं। यह उल्लेखनीय है कि प्रस्तुत इन विट्रो सेटअप में, अव्यवस्था का एकमात्र स्रोत ऑपरेटर की हाथ गति है। वीवो में, श्वसन और धमनी पल्सटिलिटी जैसे कई अन्य कारकों से अव्यवस्था पैदा होने की संभावना है जो अधिक प्रमुख है। इन मामलों में, इस प्रोटोकॉल में वर्णित उन्नत एसवीडी फ़िल्टर प्रमुख महत्व का हो जाता है।

स्पेक्ट्रोग्राम व्याख्या
पारंपरिक और अल्ट्राफास्ट डॉप्लर अल्ट्रासाउंड दोनों में रक्त प्रवाह विशेषताओं का अध्ययन करने के लिए स्पेक्ट्रोग्राम सबसे आम उपकरण हैं। हर बार बिंदु के लिए, स्पेक्ट्रोग्राम माना जाता आरओआई के अंदर वेग वितरण ग्रेस्केल में दिखाता है। गैर-लेमिनार प्रवाह जैसे जटिल प्रवाह स्वाभाविक रूप से इस स्पेक्ट्रम को व्यापक करेंगे। हालांकि, स्पेक्ट्रल विस्तार और वेग वितरण के बीच यह लिंक केवल एक निश्चित सीमा तक ही सही है । यह कई अध्ययनों से दिखाया गया है कि स्पेक्ट्रोग्राम चौड़ाई, जिसे स्पेक्ट्रल विस्तार भी कहते हैं, वास्तव में आरओआई में वेग वितरण से जुड़ा हुआ है, लेकिन इमेजिंग सिस्टम (सरणी चौड़ाई, कोण, आदि)29,30,31के कई ज्यामितीय मापदंडों से भी जुड़ा हुआ है। इसलिए, जबकि एक स्थिर लैमिनार और सजातीय प्रवाह का स्पेक्ट्रोग्राम एक पतली, सपाट रेखा होनी चाहिए, यह व्यवहार में एक निश्चित चौड़ाई दिखाता है जो वेग वितरण को प्रतिबिंबित नहीं करता है, बल्कि इमेजिंग सेटअप की ज्यामिति है। इस संभावित नुकसान गलत वेग माप करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं। इनप्रभावोंसे बचने के लिए आरओआई(चित्रा 1 सी धराशायी ग्रीन लाइन) के अंदर मतलब वेग पर विचार करने की सिफारिश की जाती है।

3डी अधिग्रहण
वर्तमान प्रोटोकॉल को एक मानक रैखिक सरणी ट्रांसड्यूसर के साथ महसूस किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप 2D छवियां थीं। फिर भी, 3 डी अधिग्रहण किया जा सकता है, या तो यांत्रिक रूप से मोटराइज्ड रैखिक जांच16के साथ माध्यम को स्कैन करके, या पंक्ति-कॉलम सरणी33 या मैट्रिक्स सरणी34का उपयोग करके। इन नए तरीकों के लिए कमियां उच्च कंप्यूटिंग लागत और, मैट्रिक्स जांच के लिए, विशिष्ट स्कैनर की जरूरत है । 3डी अधिग्रहण का एक उदाहरण चित्रा 3Eमें दिखाया गया है ।

सुरक्षा के मुद्दे
अधिकांश शोध अल्ट्राफास्ट अल्ट्रासाउंड स्कैनर नैदानिक उपयोग के लिए अनुमोदित नहीं हैं। यह प्रयोगकर्ता की जिम्मेदारी है कि वह विद्युत सुरक्षा और ध्वनिक उत्पादन दोनों की अवधि में अपने देश में प्रचलित मानकों का अनुपालन करे । बाद के लिए, एफडीए मानकों35 और आईईसी 62127-1 अंतरराष्ट्रीय मानक36 पर विचार किया जाना चाहिए।

निष्कर्ष
इस पेपर में, हमने अल्ट्राफास्ट डॉप्लर के साथ रक्त प्रवाह को छवि देने के लिए एक मानक प्रोटोकॉल का प्रस्ताव किया है। एक अंशांकित प्रवाह प्रेत पर अभ्यास करके, ऑपरेटर अंततः उनके माप की सटीकता की जांच कर सकता है। प्रोटोकॉल उपयोगकर्ता को विमान-तरंग कंपाउंडिंग का उपयोग करके अल्ट्राफास्ट अल्ट्रासाउंड अधिग्रहण को डिजाइन और निष्पादित करने की अनुमति देता है। अंततः, एक पोस्ट-प्रोसेसिंग फ्रेमवर्क का वर्णन किया गया है और छवि के हित के किसी भी क्षेत्र में रक्त प्रवाह प्रोफ़ाइल प्रदर्शित करने के लिए पहला उपकरण प्रदान करता है।

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Disclosures

हितों का टकराव नहीं

Acknowledgments

हम श्रेया शाह को उनकी प्रूफरीडिंग और सलाह के लिए शुक्रिया अदा करना चाहेंगे ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Blood-mimicking fluid CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA 069DTF
Doppler flow phantom CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA ATS523A
Matlab MathWorks, Natick, Massachusetts, United States
Peristaltic pump / Doppler flow pump CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA 769 Include tubings and pulse dampener
Transducer adpter Verasonics, Kirkland, Washington, USA UTA 408-GE
Ultrafast ultrasound research scanner Verasonics, Kirkland, Washington, USA Vantage 256
Ultrasound probe/transducer GE Healthcare GE 9L-D

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Baranger, J., Mertens, L., Villemain, O. Blood Flow Imaging with Ultrafast Doppler. J. Vis. Exp. (164), e61838, doi:10.3791/61838 (2020).

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